Accumulation of myeloid-derived suppressor cells (MDSCs) associated with inhibition of dendritic cell (DC) differentiation is one of the major immunological abnormalities in cancer and leads to suppression of antitumor immune responses. The molecular mechanism of this phenomenon remains unclear. We report here that STAT3-inducible up-regulation of the myeloid-related protein S100A9 enhances MDSC production in cancer. Mice lacking this protein mounted potent antitumor immune responses and rejected implanted tumors. This effect was reversed by administration of wild-type MDSCs from tumor-bearing mice to S100A9-null mice. Overexpression of S100A9 in cultured embryonic stem cells or transgenic mice inhibited the differentiation of DCs and macrophages and induced accumulation of MDSCs. This study demonstrates that tumor-induced up-regulation of S100A9 protein is critically important for accumulation of MDSCs and reveals a novel molecular mechanism of immunological abnormalities in cancer.

Despite more than 25 years of research, the molecular targets of quinoline-3-carboxamides have been elusive although these compounds are currently in Phase II and III development for treatment of autoimmune/inflammatory diseases in humans. Using photoaffinity cross-linking of a radioactively labelled quinoline-3-carboxamide compound, we could determine a direct association between human S100A9 and quinoline-3-carboxamides. This interaction was strictly dependent on both Zn++ and Ca++. We also show that S100A9 in the presence of Zn++ and Ca++ is an efficient ligand of receptor for advanced glycation end products (RAGE) and also an endogenous Toll ligand in that it shows a highly specific interaction with TLR4/MD2. Both these interactions are inhibited by quinoline-3-carboxamides. A clear structure-activity relationship (SAR) emerged with regard to the binding of quinoline-3-carboxamides to S100A9, as well as these compounds potency to inhibit interactions with RAGE or TLR4/MD2. The same SAR was observed when the compound's ability to inhibit acute experimental autoimmune encephalomyelitis in mice in vivo was analysed. Quinoline-3-carboxamides would also inhibit TNFalpha release in a S100A9-dependent model in vivo, as would antibodies raised against the quinoline-3-carboxamide-binding domain of S100A9. Thus, S100A9 appears to be a focal molecule in the control of autoimmune disease via its interactions with proinflammatory mediators. The specific binding of quinoline-3-carboxamides to S100A9 explains the immunomodulatory activity of this class of compounds and defines S100A9 as a novel target for treatment of human autoimmune diseases.

Abstract The tumor microenvironment plays an important role in modulating tumor progression. Earlier, we showed that S100A8/A9 proteins secreted by myeloid-derived suppressor cells (MDSC) present within tumors and metastatic sites promote an autocrine pathway for accumulation of MDSC. In a mouse model of colitis-associated colon cancer, we also showed that S100A8/A9-positive cells accumulate in all regions of dysplasia and adenoma. Here we present evidence that S100A8/A9 interact with RAGE and carboxylated glycans on colon tumor cells and promote activation of MAPK and NF-κB signaling pathways. Comparison of gene expression profiles of S100A8/A9-activated colon tumor cells versus unactivated cells led us to identify a small cohort of genes upregulated in activated cells, including Cxcl1, Ccl5 and Ccl7, Slc39a10, Lcn2, Zc3h12a, Enpp2, and other genes, whose products promote leukocyte recruitment, angiogenesis, tumor migration, wound healing, and formation of premetastatic niches in distal metastatic organs. Consistent with this observation, in murine colon tumor models we found that chemokines were upregulated in tumors, and elevated in sera of tumor-bearing wild-type mice. Mice lacking S100A9 showed significantly reduced tumor incidence, growth and metastasis, reduced chemokine levels, and reduced infiltration of CD11b+Gr1+ cells within tumors and premetastatic organs. Studies using bone marrow chimeric mice revealed that S100A8/A9 expression on myeloid cells is essential for development of colon tumors. Our results thus reveal a novel role for myeloid-derived S100A8/A9 in activating specific downstream genes associated with tumorigenesis and in promoting tumor growth and metastasis. Mol Cancer Res; 9(2); 133–48. ©2011 AACR.

Neutrophils are innate immune cells that counter pathogens by many mechanisms, including release of antimicrobial proteins such as calprotectin to inhibit bacterial growth. Calprotectin sequesters essential micronutrient metals such as zinc, thereby limiting their availability to microbes, a process termed nutritional immunity. We find that while calprotectin is induced by neutrophils during infection with the gut pathogen Salmonella Typhimurium, calprotectin-mediated metal sequestration does not inhibit S. Typhimurium proliferation. Remarkably, S. Typhimurium overcomes calprotectin-mediated zinc chelation by expressing a high affinity zinc transporter (ZnuABC). A S. Typhimurium znuA mutant impaired for growth in the inflamed gut was rescued in the absence of calprotectin. ZnuABC was also required to promote the growth of S. Typhimurium over that of competing commensal bacteria. Thus, our findings indicate that Salmonella thrives in the inflamed gut by overcoming the zinc sequestration of calprotectin and highlight the importance of zinc acquisition in bacterial intestinal colonization.

Mesenchymal niche cells may drive tissue failure and malignant transformation in the hematopoietic system, but the underlying molecular mechanisms and relevance to human disease remain poorly defined. Here, we show that perturbation of mesenchymal cells in a mouse model of the pre-leukemic disorder Shwachman-Diamond syndrome (SDS) induces mitochondrial dysfunction, oxidative stress, and activation of DNA damage responses in hematopoietic stem and progenitor cells. Massive parallel RNA sequencing of highly purified mesenchymal cells in the SDS mouse model and a range of human pre-leukemic syndromes identified p53-S100A8/9-TLR inflammatory signaling as a common driving mechanism of genotoxic stress. Transcriptional activation of this signaling axis in the mesenchymal niche predicted leukemic evolution and progression-free survival in myelodysplastic syndrome (MDS), the principal leukemia predisposition syndrome. Collectively, our findings identify mesenchymal niche-induced genotoxic stress in heterotypic stem and progenitor cells through inflammatory signaling as a targetable determinant of disease outcome in human pre-leukemia.

Patients with inflammatory bowel diseases are at increased risk for colorectal cancer, but the molecular mechanisms linking inflammation and cancer are not well defined. We earlier showed that carboxylated N-glycans expressed on receptor for advanced glycation end products (RAGE) and other glycoproteins mediate colitis through activation of nuclear factor kappa B (NF-κB). Because NF-κB signaling plays a critical role in the molecular pathogenesis of colitis-associated cancer (CAC), we reasoned that carboxylated glycans, RAGE and its ligands might promote CAC. Carboxylated glycans are expressed on a subpopulation of RAGE on colon cancer cells and mediate S100A8/A9 binding to RAGE. Colon tumor cells express binding sites for S100A8/A9 and binding leads to activation of NF-κB and tumor cell proliferation. Binding, downstream signaling and tumor cell proliferation are blocked by mAbGB3.1, an anti-carboxylate glycan antibody, and by anti-RAGE. In human colon tumor tissues and in a mouse model of CAC, we found that myeloid progenitors expressing S100A8 and S100A9 infiltrate regions of dysplasia and adenoma. mAbGB3.1 administration markedly reduces chronic inflammation and tumorigenesis in the mouse model of CAC and RAGE-deficient mice are resistant to the onset of CAC. These findings show that RAGE, carboxylated glycans and S100A8/A9 play essential roles in tumor–stromal interactions, leading to inflammation-associated colon carcinogenesis.

Abstract Degradation and protrusion are key to cellular barrier breaching in cancer metastasis and leukocyte extravasation. Cancerous invadopodia and myelomonocytic podosomes are widely considered as structural tools facilitating these processes and are thus summarized under the term invadosomes. Despite similar behaviour on the individual scale, substantial differences have been reported to arise on the collective scale. They are considered to be a result of podosome mesoscale-connectivity. In this study, we investigated global in-plane and out-of-plane mechanical forces of podosome clusters in ER-Hoxb8 cell derived monocytes. We are able to correlate these forces with the interpodosomal connectivity. The observed traction and protrusion patterns fail to be explained by summation of single podosome mechanics. Instead, they appear to originate from superimposed mesoscale effects. Based on mechanistic and morphological similarities with epithelial monolayer mechanics, we propose a spatiotemporal model of podosome cluster mechanics capable of relating single to collective podosome mechanical behaviour. Our results suggest that network contraction-driven (in-plane) tractions lead to a buckling instability that contributes to the out-of-plane indentation into the substrate. First assigning an active mechanical role to the dorsal podosome actomyosin network, we aim at translating actomyosin hierarchy into scale dependency of podosome mechanics.